A C=C kötés aszimmetrikus heterogén katalitikus hidrogénezése

Átírás

1 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények 131 A C=C kötés aszimmetrikus heterogén katalitikus hidrogénezése FDR Mátyás, TUGLER Antal * BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék, Budafoki út 8., 1111 Budapest 1. Bevezetés A folyadék fázisú heterogén katalitikus hidrogénezés széles körben alkalmazott módszere a szerves kémiának, mind laboratóriumi, mind ipari léptékben 1-7. Varga József professzor, a Kémiai Technológia Tanszék korábbi vezet je és Cs rös Zoltán professzor, a Szerves Kémiai Technológia Tanszék alapítója, a M egyetemen bevezették és m velték a katalitikus hidrogénezést. Varga J. az 1920-as években a k szénben lév nagy molekulatömeg vegyületek nagy h mérséklet és nyomású hidrogénezését tanulmányozta, a cél a hidrokrakkolás volt. Katalizátorként vezette be a szulfidált fémeket, amelyek méregállóak voltak, lehet vé tették a kéntartalmú szenek cseppfolyósítását. Cs rös már az 1940-es években felismerte a katalitikus hidrogénezés fontosságát a finomkémiai ipar szintetikus módszereinek sorában. Kutatásokat kezdett a Raney típusú és a hordozós nemesfém katalizátorokkal végzett hidrogénezések körében. A munkát Petró József folytatta, a váz és a hordozós fémkatalizátorok fejlesztése területén, amelyeket szintén a folyadék fázisú hidrogénezésekben alkalmaztak. A hatvanas évek végén csatlakozott a csoporthoz Máthé Tíbor és Tungler Antal. Ezután a kutatások hangsúlya a kemoszelektív hidrogénezésekre tolódott, ilyen volt a savkloridok redukciója a megfelel aldehidekké, a C=C kötés hidrogénezése más redukálható funkciós csoportok jelenlétében, az aromás nitro és halogént tartalmazó vegyületek hidrogénezése a halogén lehasítása nélkül. A következ id szakban a kutató csoportban ipari kezdeményezés kutatások folytak, amelyekben a sztereoszelektivitás volt az egyik cél, például a mentol el állítása timolból 8 és az aminobutanol nem hasznosított enantiomerjének racemizálása, ami az etambutol nev antituberkulotikum gyártásának mellékterméke. Bár a katalitikus racemizálás nem valósult meg, a munka melléktermékeként aszimmetrikus hidrogénezések is folytak. Schiff-bázisok diasztereoszelektív hidrogénezését vizsgáltuk, amelyeket optikailag aktív aminok és prokirális ketonok kondenzációjában állítottunk el. A vizsgálatok célja a sztereoszelektivitást befolyásoló faktorok meghatározása volt. 9 A munka egyik hasznos mellékterméke volt az optikailag aktív -benzilamino-butanol el állítása méretnövelt léptékben, ez az anyag jó reszolváló ágensnek bizonyult, Fogassy Elemér professzor alkalmazta fejleszt munkája során enantiomer elválasztásra. volt az, aki az (S)-prolin királis ágensként való alkalmazására felhívta a figyelmünket, akkoriban publikálták több helyen az irodalomban, hogy a prolin jó homogén katalizátor, illetve szinton aszimmetrikus reakciókban, például, -telítetlen ketonok Robinson-típusú kondenzációjában. Azóta a prolin és származékai figyelmünk középpontjában maradtak, szolgáltak, mint királis adalék, módosító vagy szinton. A sztereoizomer vegyületek el állítása fontos feladat mostanában, különösen az optikailag aktív vegyületek gyártása. Az optikailag aktív vegyületek piaca gyorsan n. 10 Az aszimmetrikus szintetikus módszerek között használhatjuk az optikailag aktív redukáló szereket, a homogén átmenetifém komplex katalizátorokat, ezek hordozóra rögzített változatait, királisan módosított heterogén katalizátorokat, optikailag aktív szintonokat heterogén katalitikus hidrogénezésekben, biokémiai, azaz enzim katalízist. Az aszimmetrikus heterogén katalitikus hidrogénezések korlátozott alkalmazhatóságuk ellenére el nyösek, számos referáló cikk született ebben a témakörben Ebben a cikkben arról a kutatómunkánkról adunk összefoglalást, amit az aszimmetrikus C=C hidrogénezés területén végeztünk. 2. Aszimetrikus hidrogénezések (S)-prolin királis adalékkal A Pd katalizált els aszimmetrikus C=C hidrogénezés, ami jelent s enantiomer felesleget adott, figyelmen kívül hagyva a korai ( ), reprodukálhatatlan, selyemszál és optikailag aktív kvarc hordozós Pd katalizátorokon végzett kísérleteket, 36, 37 az izoforon hidrogénezése volt (S)-prolin jelenlétében agyon vonzónak t nt, hogy könnyen hozzáférhet királis adalékanyagot adva a reakcióelegyhez, aszimmetrikus reakció megy végbe. Különböz, -telítetlen ketonokat vizsgáltunk (benzilidén-ciklohexanon, benzilidénfenilaceton, dibenzilidén-ciklohexanon, dibenzilidénciklopentanon), melyeket Hidegh Kálmán szintetizált, de egyedül az izoforon adott jelent sebb optikai aktivitást (1.ábra). R 1 R 2 R 1 R 2 H 2 Pd * R 3 R 3 H sztöchiometrikus H mennyiségû prolin, alkoholos oldat Ábra. Telítetlen ketonok aszimmetrikus hidrogénezése. Az izoforon, az acetofenon és az etilpiruvát hidrogénezését vizsgáltuk részletesen (2. ábra). éha egy laboratórium felszerelésének hiányosságai hasznosak is lehetnek, az említett id szakban nem volt királis GC oszlopunk, ezért az optikai tisztaság meghatározását a forgatás mérésével végeztük. Ehhez szükség volt a * Tel.: , fax: ; atungler@mail.bme.hu

2 132 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények reakcióelegy feldolgozására, el ször a prolint választottuk el, majd ledesztilláltuk az izoforon-trimetilciklohexanon elegyet, GC-val megmértük a konverziót, végül a forgatást mértük polariméterrel, meghatározva a trimetilciklohexanon optikai tisztaságát. H 2 Pd/C metanol, * (S)-prolin 3 4 CH 3 H 2 Pd/C metanol, 5 (S)-prolin 6 H * CH 3 2. Ábra. Izoforon és acetofenon aszimmetrikus hidrogénezése. Ebben a feldolgozási folyamatban kaptunk egy anyagmérleget, ami szerint sem a prolint, sem az izoforontrimetilciklohexanon elegyet nem lehetett teljesen kinyerni. Végül megtaláltuk a hiányzó anyagot, ami -alkil prolin, trimetilciklohexil-prolin volt, azonosítottuk MR spektroszkópiával és GC-MS mérésekkel is. Az aszimmetrikus hidrogénezés reprodukálhatóságának az volt a feltétele, hogy az izoforon és a prolin 1:1 molarányú metanolos oldatát a hidrogénezés el tt mintegy 5 percig forraltuk és leh tés után adtuk hozzá a katalizátort. CD (cirkuláris dikroizmus) spektroszkópiával igazolható volt a kémiai reakció a prolin és az izoforon között. A sztöchiometrikus mennyiség prolinnal végzett reakcióban, szobah mérsékleten, metanol oldószerben (S)-dihidroizoforon azaz trimetilciklohexanon képz dött feleslegben, az ee (enantiomer felesleg) elérte nagyobb hidrogénfogyásnál (>1,5 mol) a 80%-ot. (R)-prolinnal az (R)-trimetilciklohexanon képz dött feleslegben. A nagyobb hidrogen felvételnél a trimetilciklohexanon hozama csökkent és a f termék az -alkil prolin lett. Acetofenon hidrogénezésénél hasonló körülmények között az 1-fenil-etanol enantiomer feleslege 20% volt 43. Az etilpiruvátos reakció csak alkilezett prolint adott, jó diaszter eoszelektivitással 44. Az aszimmetrikus reakciók kinetikai vizsgálata, a CD spektroszkópia és az -alkil prolin származékok kipreparálása és azonosítása alapján arra következtettünk, hogy a reakciók formálisan ugyan enantioszelektívek, valójában azonban diasztereoszelektívek a 3. ábra szerint. Az (S)-prolin királis adalékanyag, reagál a szubsztrátumokkal, addíciós és/vagy kondenzációs termékeket képez, amelyek diasztereoszelektíven hidrogénez dnek. Joucla és Mortier igazolták az oxazolidinon típusú vegyületek keletkezését CH H 7 3 CH CH H H 8 9 (S,S) és (R,S) aminálok C C (2S,4S) és (2R,4S) oxazolidinonok 2 H 2 diasztereoszelektív H 2 kemo- és diasztereoszelektív * 12 CH H CH 3 + CH H 7 4 H CH 3 3. Ábra. Izoforon aszimmetrikus hidrogénezése (S)-prolin jelenlétében. Pd és Rh katalizátorokkal a hidrogénezés kemoszelektív és diasztereoszelektív volt, ami azt jelenti, hogy a C=C hidrogénezés sebessége nagyobb, mint a C- hidrogenolíziséé. Ugyanakkor Pt katalizátorral csak alkilezett prolin keletkezik már kis konverzióknál is, a Pt nem kemoszelektív ebben a reakcióban. Mivel az izoforon és a prolin kondenzációs reakciója szükséges az optikailag aktív trimetilciklohexanon keletkezéséhez, ezért megvizsgáltuk a metanol víztartalmának hatását az ee-re. övekv víztartalommal (1 30 tf%) a trimetilciklohexanon optikai tisztasága csökkent (e.e. 30 6%) a hozama n tt (64 95%). Ez is bizonyítja a kondenzációs reakciót. A kutatásoknak már ebben a korai szakaszában is vizsgáltuk a katalizátorok prolinnal történ módosítását, de sztereoszelektivitást nem tapasztaltunk. emrég Török és munkatársai 47 jelentették, hogy izoforon enantioszelektív hidrogénezését valósították meg prolinnal módosított katalizátoron úgy, hogy a katalizátort a prolin és a szubsztrátum jelenlétében ultrahanggal kezelték. A

3 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények 133 reakcióparaméterek vizsgálatából kit nik, hogy az általuk alkalmazott prolin/izoforon arány közel sztöchiometrikus, mely a korábbi eredményeink szerint optimális. Mivel az enantiomerfelesleget királis GC-vel határozták meg, nem állítottak fel anyagmérleget, ugyanakkor az alkalmazott kis anyagmennyiségek miatt ez preparatív technikával nem is volt lehetséges. Még ha el is fogadjuk az ultrahangos kezelés jelent ségét, továbbra is kétséges, hogy a reakcióelegy nem tartalmazott melléktermékként -alkil prolint, mivel ez GCn nem mérhet. Id közben egy másik kutató csoport is vizsgálta a reakciót, Lambert és munkatársai 48 részletesen tanulmányozták mind az izoforon mind a trimetilciklohexanon hidrogénezését prolin jelenlétében. Azt állapították meg, hogy az izoforon és a prolin kondenzátuma csak szemlél d molekula, mivel az izoforon egy mol hidrogén felvételéig gyorsan hidrogénez dik racém trimetilciklohexanonná. Az optikailag aktív keton kizárolag a második, reduktív alkilezési lépésben keletkezik kinetikus reszolválással. Ha az izoforon-prolin metanolos oldatot hosszú ideig (24-96 óra) kevertetik, akkor csökken az ee. Szerintük ez igazolja, hogy a katalizátornak nincs szerepe az aszimmetrikus indukcióban. Török és munkatársai egy újabb közleményükben 49 revideálták korábbi elképzelésüket Lambert munkájának fényében. Ezúttal lúgos karakter hordozóra (BaC 3 ) felvitt Pd katalizátort használtak. A prolint továbbra is módosítónak tekintették, ugyanakkor elfogadták a kinetikus reszolválást is. Amiben egyetértünk velük az, hogy a prolin és a keton kondenzátumának diasztereoizomerjei eltér sebességgel hidrogénez dnek, s emiatt a katalizátor mégis részt vesz az aszimmetrikus indukcióban. Végül legutóbb Lambert és mts.-i 50 az izoforon, a prolin és a trimetilciklohexanon adszorpcióját vizsgálták Pt felületen elektrokémiai detektálással. Az így kapott eredményeket extrapolálták Pdra, ami képtelenség, hiszen ez a két fém egészen másként viselkedik a vizsgált reakcióban. Pt-val csak alkilezett prolin képz dik. Jelenleg publikálás alatt vannak azok az eredményeink, amelyekkel válaszolni tudunk mindkét csoport elképzeléseire, elismerve a kinetikus reszolválás hozzájárulását az optikailag aktív trimetilciklohexanon képz déséhez, viszont fenntartjuk az izoforon és a prolin kondenzátumának, mint intermediernek a szerepét a reakcióban és hangsúlyozzuk a 51, 52 katalizátor szerepét az aszimmetrikus indukcióban. A feleslegben képz dött dihidroizoforon abszolút konfigurációjára is megkíséreltünk magyarázatot találni 53. Az oxazolidinon köztitermékek molekulamodellezési számításait Kolossváry végezte el, a pro-s oxazolidinon a stabilabb, a polárisabb oxigén a katalizátor felé fordul, így könnyen adszorbeálódik. Ebb l következik, hogy a reakcióban (S)-dihidroizoforon képz dik, mégpedig a hidrogén atomok cisz addíciójával. Az (S)-prolin királis segédanyagként alkalmazható exociklusos, -telítetlen ketonok szénhordozós palládium katalizátoron végrehajtott hidrogénezésében, 54 melyben rendre a megfelel telített ketonok keletkeznek, az optikai tisztaság elérheti a 20%-t. Az exociklusos, -telítetlen ketonok esetében a prolin ikerionos formájából feltehet leg kevesebb addíciós és/ vagy kondenzációs termék képz dött, ezért a kemo- és enantioszelektivitás is alacsonyabb volt (< 10%). Az (S)- prolin reakciókészségét növelend, az elegyhez nátriummetilátot (ame) adtunk, hogy a prolin nátrium sóját képezzük. Az er s bázis jelenlétében a telített keton nagyobb optikai tisztaságban keletkezett. ldószerek közül az acetonitril bizonyult a leghatékonyabbnak. Legjobb eredményt az (E)-2-benzilidén-1-benzoszuberon hidrogénezésében sikerült elérni. Acetonitrilben, palládium katalizátort alkalmazva, sztöchiometrikus (S)-prolin és etilacetátban oldott ame hozzáadásával a megfelel telített keton 20%-os enantiomerfelesleggel képz dött. Ugyanilyen körülmények között vizsgálva az 5-, 6-, 7-tagú telített gy r t tartalmazó vegyületeknél eltér enantioszelektivitásokat és hidrogénezési sebességet lehetett mérni. Az enantioszelektivitások közti lényeges különbségek els sorban szerkezeti tényez kre vezethet k vissza, nevezetesen arra, hogy például a hétatomos gy r t tartalmazó benzoszuberon jóval rugalmasabb szerkezettel rendelkezik. n n=1 n=2 n=3 H 2, Pd/hordozó oldószer Ábra. (E)-2-benzilidén-1-indanon, (E)-2-benzilidén-1-tetralon, és (E)-2-benzilidén-1-benzoszuberon heterogén katalitikus hidrogénezése a megfelel telített ketonná. Az endo- és exociklusos telítetlen ketonok hidrogénezésében az (S)-prolin királis segédanyag alkalmazása hatásos ugyan, de az ee vagy kicsi volt, vagy az egyébként jelent sebb ee gyenge kémiai hozammal járt a prolin reduktív alkilez dése következtében. Ezek az aszimmetrikus reakciók ugyan enantioszelektívek, de diasztereomer átmeneti termékeken keresztül zajlanak. Az egyszerre királis és prokirális közti termékek redukciója (a hidrolízist követ en) optikailag aktív telített ketonokat eredményezett. 3. Enantioszelektív heterogén katalitikus hidrogénezések Prokirális szubsztrátumok enantioszelektív heterogén katalitikus hidrogénezése el nyös módszer optikailag aktív anyagok el állítására. Ezekben a rendszerekben a reakcióelegyhez viszonylag kis mennyiségben adott katalizátor módosító az, mely az enantioszelektivitást eredményezi. Az els hatékony reakciókat Pt és i katalizátorokon valósították meg. Ezek közé tartozik egyrészt etil-piruvát hidrogénezése etil-laktáttá cinkona alkaloidokkal módosított Pt katalizátoron, 55 valamint -keto észterek enantioszelektív hidrogénezése bork savval módosított i katalizátoron. 56 Mindkét esetben 95% fölötti optikai tisztaságot sikerült elérni. n *

4 134 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények A kés bbiekben kimutatták a palládium katalitikus aktivitását is aszimmetrikus heterogén reakcióban. A királisan módosított Pd katalizátorok azoknak az olefineknek a hidrogénezésében bizonyultak hatékonynak, melyek elektronokban gazdag, vagy savas funkciós csoporttal rendelkeznek. 15, 26, Ezekben a reakciókban a legjobb módosítók a természetes vagy szintetikus alkaloidok. A vizsgálatok azt is kimutatták, hogy a Pd hatékony módosítása nagyobb módosító/szubsztrátum arányt igényel, mint a Pt. E nagyobb módosító koncentráció a módosítatlan reakciók sebességéhez képest jelent s lassuláshoz vezet. Mindazonáltal, ezeknek a reakcióknak a száma igencsak korlátozott, mivel e hatások nagyon specifikusak a reaktánsra, módosítóra és a katalizátorra nézve, akárcsak az enzimatikus reakciók esetében. 62 Ezenkívül a módosítónak, illetve a szubsztrátumnak speciális követelményeknek is meg kell felelniük Az enantioszelektív heterogén katalitikus hidrogénezések kutatásával célunk az volt, hogy új, hatékony rendszereket fedezzünk fel, például megfelel szubsztrátumot és/vagy módosítót, illetve hogy jobban megérthessük e reakciók mechanizmusát. 3.1., -telítetlen endociklusos ketonok enantioszelektív hidrogénezése Részletesen vizsgáltuk, -telítetlen ketonok Pd katalizátorral végrehajtott hidrogénezését. A vizsgálatok elvégzéséhez az izoforon megfelel szubsztrátumnak bizonyult, (2. ábra) Természetes eredet módosítók Újfajta vagy tágabb szubsztrátum specifitással rendelkez új királis forrást igyekeztünk felkutatni, ezért számos vinka- H ldatfázis és morfintípusú alkaloidot teszteltünk különféle prokirális szubsztrátumok hidrogénezési reakciójában. 71 A vinka alkaloidok közé tartozó (-)-dihidroapovinkaminsav etil-észter ((-)-DHVI) hatásos módosítónak bizonyult izoforon C=C kötésének hidrogénezésében, 72, 73 a megfelel telített keton 55%-os enantiomerfelesleggel keletkezett. Az enantioszelektivitást nagyban befolyásolta az alkalmazott katalizátor hordozó típusa, valamint a katalizátor el állításának módja. A legjobb enantioszelektivitásokat Pd korom katalizátorral, katalitikus mennyiség ecetsav jelenlétében, metanolos oldatban sikerült elérni. A (-)- DHVI/izoforon optimális aránya 0.3 mol % volt. Cinkona alkaloidok mérsékelt hatást (~20% e.e.) mutattak ebben a reakcióban. Etil-piruvát hidrogénezésében ugyanez a (-)- dihidroapovin-kaminsav etil-észter kevésbé volt hatékony (~30% e.e.). 74 A (-)-DHVI epimerjeit és származékait is vizsgáltuk, például el állítottuk a (-)- és (+)-dihidroapovinkaminsavat, hogy felderítsük a m ködési mechanizmusát, és mert elképzelhet volt, hogy újabb, még hatékonyabb módosítóhoz jutunk 75. A telített észter és a szabad sav hatása kis mértékben tért el egymástól, mely arra enged következtetni, hogy az észter, illetve a sav csoport hasonló horgonyzó képességgel bír. Az is kiderült, hogy e csoportok számára az ekvatoriális helyzet a kedvez, és lényegesen nagyobb horgonyzó hatást fejtenek ki, ha nem a velük szomszédos gy r vel egy síkban helyezkednek el. CD spektroszkópiával nyert eredményekb l és a reakció beható tanulmányozása alapján következtetni lehetett az enantiodifferenciálódás lehetséges folyamataira, 73 (5. ábra). Az elérhet enantiomerfelesleg minden esetben függ az addukt egyensúlyi koncentrációjától, az adszorpciós reakcióktól, valamint a kompetitív királis és racém hidrogénezések relatív sebességét l. H H + CEt 19 3 CEt H2 / Pd racém CEt H katalizátor felület CEt H H + H2 / Pd * 4 optikailag aktív katalizátor felület Adszorbeált állapot katalizátor felület 5. Ábra. Izoforon enantioszelektív hidrogénezésének lehetséges folyamatai. Elképzelésünk szerint a (-)-dihidroapovinkaminsav etilészter, mint királis módosító a bázikus nitrogénen keresztül lép kölcsönhatásba a szubsztrátum karbonil csoportjával. Az aszimmetrikus hatás fokozható, ha a nitrogént gyenge savval, például ecetsavval protonáljuk. Er s savak alkalmazása viszont megakadályozza a kölcsönhatást, mivel szoros ionpárokat képeznek és az anion távol tartja a szubsztrátum molekuláit.

5 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények 135 A CD felvételek kimutatták a szubsztrátum-módosító kölcsönhatást oldatban, mely feltehet en aggregátként létezik. Ez a módosítót és a szubsztrátumot egyfajta szendvics formában tartalmazhatja, és valószín leg ez a katalizátor felületén adszorbeált állapotban is megmarad. Ezek az aggregátumok hasonlóak lehetnek a reszolválási folyamatokban vázoltakhoz Szintetizált királis módosítók A módosított reakciók területén végzett kutatások eredményeib l nyilvánvalóan látszik, hogy az enantioszelektivitás nagyon érzékeny a királis módosítóban végrehajtott szerkezeti változásokra. A jelent s enantioszelektivitás tapasztalati követelményei a módosítóra nézve: két funkciós rész, melyek közül az egyik lehet vé teszi a katalizátor felületre történ adszorpciót ( horgonyzó csoport, általában kiterjedt aromás rendszer), a másik képessé teszi a módosítót a szubsztrátummal való kölcsönhatásra (rendszerint szekunder vagy tercier nitrogén atom, királis környezetben). A prokirális szubsztrátum szerkezeti követelményei: egy, a módosítóval kölcsönható csoport (pl. keto-karbonil csoport), és egy reaktív funkció 77 (C=C). Mind a (-)-DHVI, mind cinkonidin esetében a bázikus atom a felel s a szubsztrátummal történ kölcsönhatásért. 72, 78 A (-)-DHVI molekulában az indol gy r lehet a horgonyzó rész 72, míg a cinkonidint annak kinolin gy r je köti a katalizátor felületre Pirrolidin-metanol származékok A prokirális ketonok homogén katalitikus enantioszelektív redukcióiban alkalmazott (S)-, -difenill-2- pirrolidinmetanol (DPPM), (6. ábra), megfelel a fentebb említett kritériumoknak, ezért teszteltük izoforon C=C kötésének hidrogénezésében. csoport a bázikus nitrogénnel együtt kétfogú kölcsönhatásba tud lépni a szubsztrátummal. Figyelembe véve a módosítóban szerepl aromás csoportokat a DPM két naftil gy r je vélhet en er sebb horgonyzó hatást fejthet ki, viszont az optikai tisztaság csökkent. Valószín leg az azonos szénhez kapcsolódó naftil gy r k miatt ez esetben túl nagy a sztérikus gátlás, s ez gyengítette a módosító és a katalizátor felület közötti kölcsönhatást (S)-prolin bázisú molekulák Izoforon enantioszelektív hidrogénezésében alkalmazható szintetizált királis módosítók következ példái szintén (S)- prolin bázisú molekulák, 83 (7. ábra). A kondenzált aromás rendszert tartalmazó (S)-prolin észterek és amidok izoforon hidrogénezésében az S enantiomer feleslegét eredményezték (e.e. ~20%). A királis centrum és a horgonyzó csoport közé ékelt spacer csoport az elérhet optikai tisztaságot kedvez en befolyásolta. Az volt a cél, hogy bázikus atomot, kondenzált aromás rendszert (indolil vagy naftil csoportot) és könnyen hozzáférhet királis szerkezeti részt tartalmazó vegyületeket állítsunk el. Királis bázisként az (S)-prolint választottuk, mert számos reakcióban jó királis szintonnak bizonyult, például izoforon aszimmetrikus heterogén katalitikus hidrogénezésében. 40 Azt a reakciót alapul véve feltételeztük, hogy a reakció el re haladásával az (S)-prolin észterek és amidok is adduktot képeznek, (28), (8. ábra). 23 R X 24 H H DPPM 20 H H DPM 21 H 22 H DPMP H X R H H H 6.Ábra. Pirrolidin-metanol származékok. 27 H Két nagyon hasonló molekula, az (S)-, -dinaftil- 2-pirrolidinmetanol (DPM), és a (2S)-2- (difenilmetil)pirrolidin (DPMP), vizsgálatát is elvégeztük izoforon C=C kötésének hidrogénezésében, 82, 83 (6. ábra). Az (S)-, -difenil-2-pirrolidinmetanol (DPPM) hatékony királis módosítónak bizonyult ebben a reakcióban, a legnagyobb, 41,5%-os enantioszelektivitást metanol-víz 1: 1 arányú elegyében értük el. A DPM (ee 25%) és a DPMP (ee 8%) kevésbé voltak hatásosak. A reaktánssal való kölcsönhatásért bizonyára a pirrolidin gy r szekunder atomja a felel s. E kölcsönhatást CD spektroszkópiával kimutattuk DPM királis módosító és izoforon szubsztrátum között. A DPPM és DPMP vizsgálatával nyert eredmények közötti eltérést valószín leg a hidroxil csoport jelenléte, illetve hiánya okozza, mely 7.Ábra. (S)-Prolin bázisú királis módosítók. H X R * 28 8.Ábra. Izoforon és (S)-Prolin származékok köztitermékének javasolt szerkezete. Hartree-Foch módszerrel 631G** bázison a lehetséges adduktok szerkezetét optimalizáltuk és az energia értékeket kiszámítottuk 84. Az elméleti számítások jó egyezést mutattak a kísérleti eredményekkel, minél nagyobb volt a különbség

6 136 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények a pro-s és pro-r köztitermékek energiaszintje között, annál nagyobb volt az ee A katalizátor A katalizátor típusa alapvet en befolyásolja a heterogén katalitikus hidrogénezésben jelentkez enantioszelektivitást. 22 Ha izoforon C=C kötésének enantioszelektív telítését (-)-dihidroapovinkaminsav etil-észterrel módosított Pd katalizátorral hajtjuk végre, az elérhet optikai tisztaság nagyban függ a felhasznált katalizátor hordozótól 72. Különböz fajlagos felület és különböz felületi kémiájú 77 szénhordozókat, valamint különféle kristályszerkezet és fajlagos felület 86 titándioxid hordozókat vizsgáltunk, hogy részletesen felderítsük a hordozók szerepét. Mindkét esetben a kis fajlagos felület bizonyult az enantioszelektivitásra nézve kedvez nek. A titándioxid kristályszerkezete csak kis mértékben befolyásolta az eredményeket 86. A szénhordozó felületi kémiája befolyásolta az ee-t 85 : a szén tulajdonságainak változtatásával az optikai tisztaság 10%- ról 72 20%-ra 85 növekedett. Izoforon (-)-DHVI módosító jelenlétében végrehajtott enantioszelektív hidrogénezésében a legjobb optikai tisztaságot kis diszperzitású (<0.05) Pd korom katalizátor szolgáltatta 87 (elérte az 55%-ot). A Pd korom el állításának módja is befolyásolta az optikai hozamot 75. Összefüggést találtunk a fémfelület oxidáltságának állapota és az enantioszelektivitás között: minél több oxidált hely volt a katalizátor felületén, annál nagyobb lett az enantioszelektivitás, ugyanakkor a kis fajlagos felület Pd korom enantioszelektívebb volt. A Pd korom nem csupán izoforon hidrogénezésében bizonyult a leghatásosabbnak, ((S)-, -difenil-2-pirrolidinmetanollal 88 az ee 42%), hanem 2-benzilidén-1-benzoszuberon esetében is 89 (cinkonidinnel az ee 54%). El állítottunk egy er sen mezoporózus szénhordozót, melyet palládium katalizátorokhoz használtunk fel. 90 E katalizátorokat izoforon és 2-benzilidén-1-benzoszuberon enantioszelektív hidrogénezésében teszteltük. Korábban még nem volt rá példa, hogy ilyen er sen mezoporózus szenet Pd katalizátorok el állítására használjanak. Ezek a katalizátorok magasabb ee-t eredményeztek, mint a diszperzebb kereskedelmi Pd/C katalizátorok. Bár még ezek az enantioszelektivitások is csak nagyjából a felét érik el a Pd korom katalizátorokkal nyert optikai tisztaságnak. Az enantiodifferenciáló hatásukat tekintve a mezopórusos szénhordozós Pd katalizátorok a titándioxid hordozós Pd katalizátorokhoz állnak közel. Tanulmányoztuk a katalizátorok, illetve a katalizátormódosító rendszer el kezelésének hatását izoforon Pd-korom katalizátoron végrehajtott hidrogénezésében, a következ királis módosítók jelenlétében: (-)-dihidroapovinkaminsav etil-észter (DHVI), (S)-, -difenil-2-pirrolidin-metanol (DPPM) és cinkonidin 91. Az enantioszelektivitást kedvez en befolyásolta, ha a katalizátor redukcióját a királis módosító és a szubsztrátum jelenlétében hajtottuk végre, melynek két oka lehetséges. Egyrészt feltehet, hogy a katalizátornak a módosító és szubsztrátum jelenlétében végrehajtott redukciója során új felületi helyek képz dnek. E helyek képz dési sebessége, valamint ezen indukált helyek végs száma, másként szólva az enantiodifferenciáló helyek képz désének lehet sége befolyásolhatja a katalizátor enantioszelektivitását. Mindazonáltal egyel re nincs közvetlen bizonyíték, ami a katalizátornak a királis módosítószubsztrátum jelenlétében végbement megváltozásának természetére magyarázatot adna. Gyanítható azonban, hogy a királis helyek képz désének képessége a szubsztrátum-módosító-katalizátor kölcsönhatáson kívül függ a katalizátor jellemz it l, például diszperzitásától, el állításának lépéseit l, illetve az alkalmazott hordozótól. Másrészt arról sem szabad megfeledkezni, hogy a megfigyelt jelenségek a katalizátor el zetes redukciójában megnövekedett hidrogénadszorpció miatt a királis módosító és a szubsztrátum adszorpciójában bekövetkez csökkenésre is visszavezethet k. 3.2., -telítetlen exociklusos ketonok enantioszelektív hidrogénezése Elvégeztük néhány, -telítetlen exociklusos ketonnak a megfelel optikailag aktív telített ketonná történ redukcióját cinkona alkaloidokkal módosított Pd katalizátorokon 54, (4. ábra). Az enantioszelektivitást jelent sen befolyásolta az alkalmazott oldószer és a katalizátor. (E)-2-benzilidén- 1-benzoszuberon esetén a cinkonidinnel módosított Pd korommal toluolban végrehajtott hidrogénezés bizonyult a leghatásosabbnak (e.e.: 53.7%). Az optimális módosító/ katalizátor arány 5% w/w volt. A reakcióelegyhez adott cinkonidin és kinidin S, a cinkonin és kinin R konfigurációjú telített ketonokat eredményezett. Lévén, hogy ezek a módosító párok kvázi-enantiomerek, az elért enantioszelektivitások különböz ek voltak. Azonos körülmények között, az öt- és hattagú gy r t tartalmazó vegyületekkel végrehajtott reakciók lényegesen alacsonyabb enantioszelektivitásokhoz vezettek. E különbségek a szubsztrátumok eltér merevségével és asszociátum képz tulajdonságaival magyarázhatóak. 4. Összefoglalás A C=C kötés aszimmetrikus hidrogénezése központi kutatási téma volt a csoportunkban az elmúlt két évtizedben. A legnagyobb aszimmetrikus indukciót az (S)-prolin jelenlétében végzett hidrogénezésekben tapasztaltuk. Ez a gy r s vegyület nemcsak homogén katalitikus reakciókban, hanem heterogén katalitikus hidrogénezésekben is különleges hatású, feltehet en merev gy r s szerkezete és kölcsönhatásra képes funkciós csoportjai révén. Az optikailag aktív vegyületek el állításának legelegánsabb módszere a királisan módosított katalizátorokkal végzett hidrogénezés. Az általunk vizsgált reakciókban mérsékelt ee értékek adódtak, mind a vinka mind a cinkona alkaloid módosítókkal, endo- és exociklusos, -telítetlen ketonok hidrogénezésében. A legjobb katalizátor a kis felület Pd korom volt, viszonylag nagy mennyiség módosítóval együtt. Az (S)-prolin alkalmas királis szintonnak bizonyult.

7 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények Köszönetnyilvánítás A szerz k köszönetet mondanak az TKA alapítványnak, szerz désszám: T , a Varga József alapítványnak, az KFP 35/2002 programnak, GVP / 3.0.KKK programnak a támogatásukért. Irodalomjegyzék 1. Rylander, P.., Catalytic Hydrogenation over Platinum Metals. Academic Press: ew York, Freifelder, M., Practical Catalytic Hydrogenation. Wiley- Interscience: ew York, Freifelder, M., Catalytic Hydrogenation in rganic Synthesis, Procedures and Commentary. Wiley: ew York, Augustine, R. L., Catalytic Hydrogenation. Dekker: ew York, Cerveny, L., Catalytic Hydrogenation. Elsevier: Amsterdam, Augustine, R. L., Heterogeneous Catalysis for the Synthetic Chemist. Marcel Dekker: ew York, Rylander, P.., Catalytic Hydrogenation in rganic Synthesis. Academic Press: ew York, Tungler, A.; Máthé, T.; Bende, Z.; Petró, J., Appl. Catal. A 1985, 19, Tungler, A.; Ács, M.; Máthé, T.; Fogassy, E.; Bende, Z.; Petró, J., Appl. Catal. A 1985, 17, Polastro, E., In Chiral Reactions in Heterogeneous Catalysis, ed.; Jannes, G.; Dubois, V., Eds. Plenum Press: ew York and London, 1995; pp Blaser, H. U.; Jalett, H. P.; Müller, M.; Studer, M., Catal. Today 1997, 37, Pfaltz, A.; Heinz, T., Topics Catal. 1997, 4, Tungler, A.; Fodor, K., Catal. Today 1997, 37, Besson, M.; Pinel, C., Topics Catal. 1998, 5, Wells, P. B.; Wilkinson, A. G., Topics Catal. 1998, 5, Piccolo,., Chimica e l Industria 1998, 80, Brieden, W. In Current Trends in rganic Synth., Venezia, 1998; Kluwer: Venezia, 1998; pp Blaser, H. U.; Jalett, H. P.; Lottenbach, W.; Studer, M., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, Tai, A.; Sugimura, T., In Chiral Catalyst Immobilization and Recycling, ed.; De Vos, D. E.; Vankelecom, I. F. J.; Jacobs, P. A., Eds. Wiley-VCH: Weinheim, 2000; pp Baiker, A., In Chiral Catalyst Immobilization and Recycling, ed.; De Vos, D. E.; Vankelecom, I. F. J.; Jacobs, P. A., Eds. Wiley-VHC: Weinheim, 2000; pp Wells, P. B.; Wells, R. P. K., In Chiral Catalyst Immobilization and Recycling, ed.; De Vos, D. E.; Vankelecom, I. F. J.; Jacobs, P. A., Eds. Wiley-VHC: Weinheim, 2000; pp Baiker, A., J. Mol. Catal. A 2000, 163, sawa, T.; Harada, T.; Takayasu,., Topics Catal. 2000, 13, Mallat, T.; Baiker, A., Appl. Catal. A 2000, 200, Hölderich, W. F.; Wagner, H. H.; Valkenberg, M. H., Special Publ. Royal Soc. of Chem. 2001, 266, Tungler, A.; Fogassy, G., J. Mol. Catal. A 2001, 173, (1-2), Blaser, H. U.; Pugin, B.; Spindler, F., In Applied Homogeneous Catalysis with rganometallic Compounds, ed.; Cornils, B.; Herrmann, W. A., Eds. Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2002; pp Dwars, T.; ehme, G., Advanced Synth. & Cat. 2002, 344, Li, X.; Li, C., Huaxue Jinzhan 2003, 15, Crudden, C. M.; Allen, D. P.; Motorina, I.; Fairgrieve, M., anostructured Catalysts 2003, Raval, R., anostructured Catalysts 2003, Widegren, J. A.; Finke, R. G., J. Mol. Catal. A 2003, 198, Kukula, P.; Prins, R., Topics Catal. 2003, 25, Besson, M.; Pinel, C., Topics Catal. 2003, 25, Studer, M.; Blaser, H. U.; Exner, C., Advanced Synth. & Cat. 2003, Akabori, S.; Sakurai, S.; Izumi, Y.; Fuji, Y., ature 1956, 178, Terentiev, A. P.; Klabunovskii, E. I.; Patrikeev, V. V., Dokladi Akademii auk SSSR. 1989, 74, Tungler, A.; Máthé, T.; Petró, J., In 2nd Czechoslovakian Conf. on Het. Cat., Bechyne, 1985; Bechyne, Tungler, A.; Kajtár, M.; Máthé, T.; Petró, J. In 4th Belgian- Hungarian Conf. on Catalysis., Herbeaumont, 1987; Herbeaumont, Tungler, A.; Kajtár, J.; Máthé, T.; Tóth, T.; Fogassy, E.; Petró, J., Enantioselective hydrogenation of a,bunsaturated ketones. Catal. Today 1989, 5, Tungler, A.; Máthé, T.; Petró, J.; Tarnai, T., J. Mol. Catal. A 1990, 61, Tungler, A.; Tarnai, T.; Máthé, T., J. Mol. Catal. A 1991, 70, Tungler, A.; Tarnai, T.; Máthé, T.; Petró, J., J. Mol. Catal. A 1991, 67, Tóth, G.; Kovács, A.; Tarnai, T.; Petró, J., J. Mol. Catal. A 1991, 70, L5-L Tungler, A.; Tarnai, T.; Deák, A.; Kemény, S.; Gy ry, A.; Máthé, T.; Petró, J. In Heterogeneous Catalysis and Fine Chemicals III., Poitiers, 1993; Guisnet, M.; Barbier, J.; Barrault, J.; Bouchoule, C.; Duprez, D.; Pérot, G.; Montassier, C., Eds. Elsevier Science BV: Poitiers, 1993; p Joucla, M.; Mortier, J., Bull. Soc. Chim. France 1988, 3, Mhadgut, S. C.; Bucsi, I.; Török, M.; Török, B., Chem. Commun 2004, 8, McIntosh, A. I., Watson, D. J., Burton, J. W., Lambert, R. M., JACS, Published on Web 05/12/2006, JA061104Y 49. Mhadgut, S. C., Török, M., Esquibel, J., Török, B., J. of Catalysis, 2006, 238, McIntosh, A. I., Watson, D. J., Lambert, R. M., Langmuir, Published on Web 04/18/2007, LA063064H 51. Fodor, M., Tungler, A., Vida, L. 8th CAFC, Verbania, Italy Fodor, M., Tungler, A. Vida, L., Catalysis Today, in press 53. Tungler, A., Sipos, É., Háda, V., Curr. rg. Chem. Sept. 2006, 10 (13): Fogassy, G.; Tungler, A.; Lévai, A.; Tóth, G., J. Mol. Catal. A 2002, 179, rito, Y.; Imai, S.; iwa, S., J. Chem. Soc. Jpn. 1979, 8, Izumi, Y.; Imaida, M.; Fukawa, H.; Akabori, S., Bull. Chem. Soc. Jpn. 1963, 36, Tungler, A.; Tarnai, T.; Hegedûs, L.; Fodor, K.; Máthé, T., Plat. Met. Rev. 1998, 42, Smith, G. V.; otheisz, F., Heterogenous Catalysis in rganic Chemistry. Academic Press: San Diego, Baiker, A.; Blaser, H. U., In Handbook of Heterogeneous Catalysis, ed.; Ertl, G.; Knözinger, H.; Weitkamp, J., Eds. VCH: Weinheim, 1997; Vol. 5, pp Hutchings, G. J., Chem. Commun 1999, sawa, T.; Mita, S.; Iwai, A.; Takayasu,.; Harada, T.; Matsuura, I., Stud. Surf. Sci. Catal. 1998, 118, Blaser, H. U.; Jalett, H. P.; Monti, D. M.; Reber, J. F.; Wherli, J. T., Stud. Surf. Sci. Catal. 1988, 41, Casagrande, M., Franceschini, S., Lenarda, M., Piccolo., Vaccari, A., J. Mol. Catal. A: Chem. 2006, 246, Szöll si, Gy., Szabó, E., Bartók, M., Adv. Synth. Catal. 2007, 349, Sugimura, T., Watanabe, J., kuyama, T., itta, Y., Tetrahedron: Asym. 2005, 16, itta, Y., Watanabe, J., kuyama, T., Sugimura, T., J. Catal.

8 138 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények 2005, 236, Sugimura, T., Watanabe, J., Uchida, T., itta, Y., kuyama, T., Catal. Lett. 2006, 112, Szöll si, Gy., iwa, S-I., Hanaoka, T-A., Mizukami, F., J. Mol. Catal. A: Chem. 2005, 230, Szöll si, Gy., Hanaoka, T-A., iwa, S-I., Mizukami, F., Bartók, M., J. Catal. 2005, 231, Szöll si, Gy., Balázsik, K., Bartók, M., Appl. Catal. A: Gen. 2007, 319, Tungler, A.; Tarnai, T.; Máthé, T.; Vidra, G.; Petró, J.; Sheldon, R. A. In Proceedings of the 15th Conference of rganic Catalysis Society, Phoenix, Tarnai, T.; Tungler, A.; Máthé, T.; Petró, J.; Sheldon, R. A.; Tóth, G., J. Mol. Catal. A 1995, 102, Tungler, A.; Máthé, T.; Tarnai, T.; Fodor, K.; Kajtár, J.; I., K.; Herényi, B.; Sheldon, R. A., Tetrahedron Asym. 1995, 6, Tungler, A.; Máthé, T.; Fodor, K.; Sheldon, R. A.; Gallezot, P., J. Mol. Catal. A 1996, 108, Farkas, G.; Fodor, K.; Tungler, A.; Máthé, T.; Tóth, G.; Sheldon, R. A., J. Mol. Catal. A 1999, 138, Borszeky, K.; Mallat, T.; Baiker, A., Catal. Lett. 1996, 41, Bürgi, T.; Baiker, A., J. Phys. Chem. B. 2002, 106, Huck, W.-R.; Bürgi, T.; Mallat, T.; Baiker, A., J. Catal. 2003, 219 (1), Jiang, B.; Feng, Y.; Zheng, J., Tetrahedron Lett. 2000, 41 (52), Jockel, H., J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2000, 2 (1), Schunicht, C.; Biffis, A.; Wulff, G., Tetrahedron 2000, 56 (12), Sípos, É.; Tungler, A.; Bitter, I.; Kubinyi, M., J. Mol. Catal. A 2002, 186, (1-2), Sípos, É.; Tungler, A.; Bitter, I., J. Mol. Catal. A 2003, 198, Sípos, É.; Tungler A.; Fogassy, G., J. Mol. Catal. A 2004, 216, Farkas, G.; Hegedûs, L.; Tungler, A.; Máthé, T.; Figueiredo, J. L.; Freitas, M., J. Mol. Catal. A 2000, 153, Sípos, É.; Farkas, G.; Tungler, A.; Figueiredo, J. L., J. Mol. Catal. A 2002, 179, Farkas, G.; Sípos, É.; Tungler, A.; Sárkány, A.; Figueiredo, J. L., J. Mol. Catal. A 2001, 170, Sípos, É.; Tungler, A.; Bitter, I., React. Kinet. Catal. Lett. 2003, 79, (1), Fogassy, G.; Tungler, A.; Lévai, A., J. Mol. Catal. A 2003, 192, Sípos, É.; Fogassy, G.; A., T.; Samant, P. V.; Figueiredo, J. L., J. Mol. Catal. A 2004, 212, Sípos, É.; Tungler, A., React. Kinet. Catal. Lett. 2003, 80 (2), 365. Asymmetric heterogenous catalytic hydrogenations of C=C bond The asymmetric hydrogenation of the C=C bond has been scrutinized in our laboratory in the last two decades. The highest asymmetric induction was experienced in the diastereoselective hydrogenations assisted by (S)-proline moiety. This ring forming compound can exert special effects not only in homogeneous catalytic reactions but also in heterogeneous hydrogenations, presumably because of its rigid structure and interacting functional parts. The most elegant way of producing an optically active product with hydrogenation are the chirally modified reactions, but they afforded moderate e.e. values, both with vinca and cinchona alkaloid compounds in the hydrogenation of endo- and exocyclic, -unsaturated ketones. The best catalyst was the Pd black having low surface area, modified by relatively large amount of chiral modifiers. The (S)-proline proved to be an effective chiral synthone also, as it was used in diastereoselective hydrogenation of dehydroamino acids and -heterocycles. The promising results of Baiker et al. and itta et al. on the enantioselective hydrogenation of the C=C bond in pyrones and carboxylic acids forecast the direction of future research on this topic.

9 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények 139 Katalizátorok mérgez dése, katalizátorméreg típusú vegyületek hidrogénezése HEGED S László * MTA-BME Szerves Kémiai Technológia Tanszéki Kutatócsoport, Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budafoki út 8., 1111 Budapest 1. Bevezetés Régóta ismert, hogy sok vegyület már kis mennyiségben is csökkenti, s t teljesen meg is szünteti a katalizátorok aktivitását. Ezeket az anyagokat katalizátormérgeknek nevezzük, amelyek jellemz en nitrogén-, foszfor-, arzén-, illetve kéntartalmú molekulák, fémek (pl. Pb), fémionok (pl. Fe 2+ ), valamint halogenid ionok (pl. Cl - ) lehetnek. 1,2 A mérgeket hatásuk szerint a következ csoportokba sorolhatjuk: reverzibilis, irreverzibilis, kumulálódó, kedvez mérgek. Reverzibilis mérgezés esetén a mérgez anyag eltávolítása után a katalizátor visszanyeri eredeti aktivitását, ugyanúgy m ködik tovább, mint a mérgez dés el tt. Ilyen például a metanol szintézis Zn Cr 2 3 katalizátora, ami a kénszenynyez dés megszüntetése után ismét aktív lesz. Irreverzibilis mérgezéskor a méreg olyan er sen kemiszorbeálódik a katalizátoron, hogy az nem távolítható el róla, például Raney-nikkel és kén esetében. Kumulálódó mérgezésnél a méreganyag hosszabb id alatt fejti ki a hatását, amely során a katalizátor aktivitása lassan, de állandóan csökken, ilyen pl. a higany. A kedvez mérgek a katalizátorok bizonyos aktív helyeit blokkolhatják egy adott reakcióban és így növelhetik a szelektivitást, pl. egy konszekutív reakcióban a közbens termék jó termeléssel állítható el. Tipikus példái ennek a mérgezésnek a savkloridok Rosenmund-féle 3,4 redukciója aldehidekké kinolin-s típusú vegyületekkel (pl. tiokinantrén) részlegesen mérgezett, bárium-szulfát hordozóra felvitt palládiumkatalizátorral, vagy a Lindlarkatalizátor 5 (Pd-Pb/CaC 3 ) alkalmazása acetilének olefinekké való szelektív hidrogénezésében. Gyógyszeripari intermedierek el állításakor gyakori reakciólépés a heterogén katalitikus hidrogénezés. Mivel a biológiailag aktív anyagok között nagyon sok olyan található, amelyek nitrogént, kenet vagy foszfort tartalmaznak, ezért számos fontos és értékes intermedier, illetve hatóanyag el állításánál felléphetnek a fentebb említett, a hidrogénezési eljárásokat megnehezít mérgezési jelenségek. Ilyenkor általában vagy nem lehet hidrogénezni ezeket a vegyületeket vagy olyan jelent sen lecsökken a katalizátor aktivitása, hogy csak nagyon hosszú reakcióid alatt lehet csak elérni a teljes átalakulást. A hosszú reakcid alatt mellékreakciók is felléphetnek, amelyek csökkentik a szelektivitást. Ennek kiküszöbölésére a hidrogénezend vegyületre számítva a szokásosnál jóval nagyobb mennyiség katalizátort kell használni vagy olyan segédanyagokat (pl. savak), amelyek védett formába viszik át a hidrogénezend vegyületet. * Tel.: ; fax: ; lhegedus@mail.bme.hu Azonban ezek a módszerek nem mindig alkalmazhatók (pl. nagyon drága a katalizátor, vagy savakra nagyon érzékeny a szubsztrátum), ezért más megoldásokat kell keresnünk. 2. A katalizátormérgek típusai A katalizátormérgek leggyakrabban a katalizátor aktivitását csökkentik, de a szelektivitását, stabilitását is leronthatják. Az aktivitáscsökkenés vagy inaktív felületi vegyületek keletkezése vagy inaktív katalitikus helyek kialakulása miatt következhet be. Mérgez désre a fémek és fémoxidok, valamint a zeolit alapú katalizátorok hajlamosak a leginkább itrogén-, foszfor-, arzén- és kéntartalmú molekulák A méreghatás oka, hogy a nitrogén-, foszfor-, arzén vagy kénatomok nemköt elektronpárjai datív kötést alakítanak ki a nemesfémek d-pályáival és így a katalizátor aktív komponense és a méregmolekula között er s, kémiai 1. Ábra. éhány példa a -, S-, P- és As-tartalmú méregmolekulák aktív és védett formájára.

10 140 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények jelleg és nagyon specifikus kötés jön létre, ami meggátolja a további katalitikus folyamatok végbemenetelét. Ennek kiküszöbölésére használt általános módszerek, hogy a hidrogénezend vegyületeket védett formába viszik át, azaz a méregcentrum valamennyi elektronját megkötik és így maximális vegyérték vé alakítják át. Ilyen lehet például a bázikus nitrogén esetében savak alkalmazása 6-9, amikor sót képezünk (R H 2 R H 3+ ) és így gátoljuk meg a mérgez hatás kialakulását, míg kén, arzén 10,13,14 vagy foszfor 10,14,15 esetében oxidációval (pl. R SH R S 2 H) érhet el a kívánt hatás (1. ábra). Azonban ha egy szubsztrátum érzékeny pl. savakra, akkor nem lehet a fentebb említett módszert alkalmazni, mert ennek hatására számos mellékreakció (pl. polimerizáció) játszódhat le, megakadályozva a kívánt termék el állítását. 4. Heterogén katalitikus hidrogénezések 4.1. itrogéntartalmú molekulák redukciója Kutatómunkánk során számos -tartalmú vegyület mint például pirrolok, piridinek vagy nitrilek heterogén katalitikus hidrogénezését vizsgáltuk. A 2. ábrán látható 2-(metilpirrolidin-2-il)etanol (1) a Tavegyl (clemastine, 2) márkanev allergiaellenes gyógyszer egyik fontos és drága intermediere Fémek és fémionok Azok a fémek vagy fémionok, amelyeknek d-elektronpályáin elektronpár(ok) vagy párosítatlan elektronok vannak, er s mérgez hatást mutatnak f ként hordozós platina- vagy palládiumkatalizátorok esetében. Feltehet en a fémionok d-elektronjai vesznek részt a mérgez ion és a katalitikusan aktív fém között létrejöv, valószín leg intermetallikus vegyületek kialakulásában. A mérgez fémek abban különböznek a 2.1. fejezetben bemutatott nemfémes mérgekt l, hogy utóbbiak s- vagy p-vegyértékelektronjaikkal képeznek er s kötést a katalizátor aktív komponensével. 1,2 Jellemz mérgez fémionok a következ k: Pb 2+, Cu 2+, Zn 2+, Cd 2+, Sn 2+, Hg 2+, Tl +, Mn 2+, Fe Telítetlen kötéseket tartalmazó molekulák Mérgez hatásuk abban nyilvánul meg, hogy er sebben adszorbeálódnak a katalizátoron, mint a szubsztrátum, ezért akadályozhatják egy adott reakció lejátszódását. Az ilyen típusú vegyületek mérgez hatása tehát szorpciós természet, ellentétben a mérgez fémekkel, fémionokkal és egyéb méreganyagokkal, amelyek elektronokkal képeznek kovalens kötést a fémkatalizátorokkal. 1 Jellegzetes képvisel k például a cianidion és a szén-monoxid. 3. A mérgezésre ható egyéb tényez k A mérgezésre ható tényez k között fontos paraméter a méregkoncentráció. Általában kis méregkoncentrációnál a katalizátor aktivitása és a méreg mennyisége közötti összefüggés lineáris, azonban egy adott koncentráción túl már kevésbé csökken a katalizátor aktivitása. Egy katalizátorméreg toxicitását két tényez, az egyéni befed faktor (a mérgez csoporthoz kapcsolódó felületi atomok száma) és a méregmolekula tartózkodási ideje (a katalizátor felületen) határozza meg. Leggyakrabban az ún. effektív toxicitást használják a mérgek jellemzésére, amikor a katalizátor aktivitásának csökkenését az összes méregmennyiséghez viszonyítják. A mérgez hatás általában növekv h mérséklettel csökken, azonban a katalizátor stabilitása is csökkenhet. A mérgez hatást befolyásolhatja továbbá a méregmolekula mérete és alakja, illetve szerkezete Ábra. A 2-(-metilpirrolidin-2-il)etanol és a clemastine szerkezete. Az 1-es jel molekula szintézisének utolsó lépése a 2- (-metilpirrol-2-il)etanol (3) katalitikus hidrogénezése. Ezt a hidrogénezést nem lehet a szokásos módon, sav hozzáadásával pl. kénsavas metanolban végrehajtani, mert a 2-(-metilpirrol-2-il)etanol nagyon érzékeny már híg savak jelenlétére is, ugyanis hatásukra gyorsan szilárd, gyantaszer anyag képz dése közben polimerizálódik (3. ábra). n CH 3 3 H - n H 2 n CH 3 * CHCH 2 * n CH 3 3. Ábra. A 2-(-metilpirrol-2-il)etanol híg savak hatására is bekövetkez polimerizációja. A kifejlesztett új, savmentes közeg hidrogénezési módszer a következ : egymással nem elegyed oldószerpárt alkalmazva (pl. hexán/metanol), aktívszén-hordozós palládiumkatalizátorral, 6 bar nyomáson és 80 C-on teljes konverzió érhet el. A hozam mintegy 80%, a hidrogénezett termék tisztasága pedig min. 99,9%. 16 A nem elegyed oldószerpárok, feltehet en, megváltoztatják a katalizátoron végbemen adszorpciós folyamatokat, azaz gátolhatják vagy legyengíthetik a mérgez dést okozó termékek és/vagy szubsztrátumok, valamint a katalizátor aktív centrumai közötti kemiszorpciós kölcsönhatást. Megállapítottuk továbbá, hogy csak a könny platinafémek (ruténium, ródium, palládium) bizonyultak hatékonynak, míg a nehéz platinafémek (platina, iridium) nem alkalmasak erre a hidrogénezési reakcióra. 17 Azonban a palládium, ródium és ruténium között is eltérés mutatkozott abban, hogy mekkora H + H +

11 Magyar Kémiai Folyóirat - Összefoglaló közlemények 141 a méregt r képességük, ami alapján felállítottuk ezen nemesfémek nitrogénre vonatkoztatott méregérzékenységi sorát. Ez csökken sorrendben a következ : Pd > Ru >> Rh, ami elektronszerkezeti okokkal magyarázható. 18 A munka folytatásaként vizsgáltuk a pirrol-, illetve piridingy r sztereoszelektív hidrogénezését, az el z ekben bemutatott új, savmentes közeg hidrogénezési módszer alkalmazásával. Diasztereoszelektív heterogén katalitikus hidrogénezési módszert választottunk, amelyhez királis pirrol- és piridinszármazékokat szintetizáltunk. Az aszimmetrikus indukciót (S)-prolin-metil-észter molekulával értük el, amivel optikailag aktív pirrol-, illetve piridinkarbonsavamidokat állítottunk el a megfelel karbonsavakból. Az ezen szubsztrátumok hidrogénezésekor keletkez királis pirrolidin- és piperidinszármazékok szintén fontos és értékes gyógyszeripari intermedierek. Az általunk el állított a szakirodalomban addig még nem leírt vegyületek a következ ek voltak (4. ábra): (S)--pikolinoilprolin-metilészter (4), (S)--nikotinoilprolin-metil-észter (5), (S)-- (1-metilpikolinoil)prolin-metil-észter (6) és (S)--(1-metilpirrol-2-acetil)prolin-metil-észter (7). diasztereoszelektivitással adták a terméket (43% és 38%), Ugyanezen katalizátorok a 7-es jel pirrolvegyület esetében viszont teljesen más sztereoszelektivitást mutattak szintén metanolban, 10 bar nyomáson és 80 C-on. Palládiummal 22%-os d.e.-t kaptunk, ruténiummal 48%-ot, ráadásul a konverzió sem volt teljes (60%, illetve 69%). Ródiummal azonban 100%-os konverzió mellett 90%-os diasztereoszelektivitással kaptuk a megfelel pirrolidinszármazékot 20 bar nyomáson és 25 C-on. 19,20 4 S CMe H 2, Pd/C 9 8 * H CMe * 10 11a MeH 1 S 5a S Me 4 5 Me 5. Ábra. Az (S)--pikolinoilprolin-metil-észter diasztereoszelektív, heterogén katalitikus hidrogénezése. Érdekesség, hogy a természetben el forduló Fumitremorgin C nev mikotoxinban (remegést okozó gombaméreg) egy teljesen azonos molekularészlet fordul el (6. ábra). 21 A - + CH 3 Me CH 3 Me Ábra. Királis piridin- és pirrolkarbonsavamidok. A hidrogénezések során teljes konverzió mellett 80 90%- os diasztereomerfelesleget (d.e.) értünk el, viszonylag enyhe reakciókörülmények között (25 90 C, bar). Megállapítottuk, hogy a 4-es jel piridinszármazék hidrogénezésekor az észtercsoport reakcióba lépett a piperidingy r nitrogénjével, aminek következtében az 8-as jel triciklusos diketopiperazinszármazék keletkezett (5. ábra). Ennek szerkezetét 1 H- és 13 C-MR mérésekkel igazoltuk. Feleslegben az (5aS,11aS)-perhidropirido[1,2-a]pirrolo[1,2- d]pirazin-5,11-dion diasztereomer képz dött. Azt tapasztaltuk továbbá, hogy a piridinkarbonsavamidok hidrogénezésében az aktívszén-hordozós palládium-, míg a pirrolszármazék esetében az aktívszén-hordozós ródiumkatalizátor bizonyult a legjobbnak. Például a 4-es jel vegyület redukciójakor metanolban, 10 bar nyomáson és 90 C-on, 10%-os Pd/C-katalizátorral 64%-os d.e.-t értünk el, míg az 5%-os Rh/C- vagy 5%-os Ru/C-katalizátorok sokkal gyengébb 6. Ábra. A Fumitremorgin C szerkezete. itrilek átalakításakor keletkez primer aminok szintén fontos gyógyszer-, m anyag-, illetve növényvéd szeripari intermedierek. Azonban hordozós nemesfém-katalizátorokat alkalmazva ezekben a hidrogénezésekben, a jelenleg használatos módszerekkel f leg szekunder aminok képz dnek. A szakirodalomból jól ismert, hogy a nitrilcsoport hidrogénezése primer aminná viszonylag könnyen megoldható, azonban a reakció szelektivitása csökkenhet a mellékreakcióban keletkez szekunder és/ vagy tercier aminok miatt (7. ábra). A reakció általános sémájából jól látszik, hogy a másodrend amin mennyiségét minimalizálhatjuk, ha a redukciót ammónia jelenlétében végezzük. Azonban a jó eredmények eléréséhez legalább 5-6-szoros mennyiség ammónia szükséges még a legalkalmasabbnak bizonyult Raney -i katalizátor esetében is. 25 Ráadásul Raney -nikkel használatakor általában nagy nyomás (20 70 bar) és magas h mérséklet ( C)